O laboratório de Instrumentação, Demonstração e Experimentação em Química da UFSC

A Universidade Federal de Santa Catarina tem um projeto: "Visite a UFSC". O Departamento de Química entrou no itinerário de visitas das centenas de estudantes do ensino fundamental, médio e superior que, mensalmente, vêm ao campus: o QUIMIDEX é um espaço aberto dentro do Departamento de Química para receber visitas da comunidade. O QMCWEB foi ao QUIMIDEX.

O QUIMIDEX foi inaugurado em junho deste ano, e já recebeu a visita de mais de 20 escolas estaduais, e mais de 500 visitantes. Os visitantes são recebidos pela equipe de professores e alunos responsáveis pelo QUIMIDEX. Recebem explicações e visualizam uma série de experimentos, selecionados de acordo com o grau de escolaridade dos visitantes. Entre os experimentos, destacam-se o de condutividade elétrica, extrações de óleos, destilação, alambique, arco-íris químico, vulcão, chuva ácida, medidas de pH, bafômetro, CO₂ sólido, etc.. No final da visita, os estudantes respondem a um questionário.

o vulcão químico

Um dos experimentos mais curiosos do QUIMIDEX é o vulcão: feito com argila, contém, no interior, uma mistura de magnésio metálico, pólvora e dicromato de amônio. Quando em "errupção", o (NH4)2Cr2O7 se decompõe, liberando gás nitrogênio e um sal esverdeado, o Cr2O3, que, juntos com a forte chama do Mg sendo oxidado, dão o efeito especial no vulcão. As principais reações do vulcão são: a) (NH4)2Cr2O7 --> N2 + Cr2O3 + 4H2O b) 2Mg + O2 --> 2MgO

O CO2 sólido, também conhecido como "gelo seco", é protagonista de um dos experimentos do QUIMIDEX. Pedaços do CO2(s) são mergulhados em dois frascos, contendo soluções indicadoras (que mudam de cor em função do pH): a fenolftaleína e o azul de bromotimol. Ambas as soluções estão básicas (pH>7) antes da adição do gelo seco. O CO2 reage com a água, produzindo o ácido carbônico, que neutraliza a base, deixando a solução ácida, e provocando a mudança na cor do indicador.

a chuva ácida

Um dos problemas que atinge a região sul de nosso estado é a chuva ácida: provocada pela presença de SO2 na atmosfera. No QUIMIDEX, uma simulação de chuva ácida mostra bem o que acontece: dentro de um frasco que contém uma solução neutra de indicador (extrato de repolho roxo), é queimado uma pequena amostra de enxofre. A oxidação do enxofre gera SO2, que, em contato com a água, gera ácido sulfúrico. O ácido, na água, faz com que a solução do indicador assuma outra coloração. Confira as reações: a) S + O2 --> SO2 b) SO2 + 1/2 O2 --> SO3 c) SO3 + H2O --> H2SO4

No questionário, os estudantes tem um espaço para deixar seus comentários, críticas ou sugestões. Veja alguns exemplos:

> "... a química não se resume só naquelas aulas maçantes em sala"
> "Trouxe a realidade ao conteúdo, porque é muito difícil imaginar o que está escrito nos livros"
> "Esta visita nos mostrou um pouco da realidade vivida nas universidades"
> "Acredito que esta visita tenha trazido uma visão bem mais agradável da disciplina de química"

Um dos experimentos que chama a atenção dos alunos é o "alambique": um aparato simples, feito com objetos reciclados, que serve para a destilação do caldo de cana de açucar fermentado, produzindo a "cachaça". O QMCWEB tentou provar a pinga, mas logo viu que a quantidade não seria suficiente para uma boa apreciação do produto...

o bafômetro

Um dispositivo que é capaz de detectar a presença de álcool em uma amostra de ar - que pode ser o "bafo" do motorista bêbado ou, como no QUIMIDEX, o ar provindo de uma bexiga que contém algumas gotas de etanol. A substância que muda de cor na presença do álcool é o dicromato de potássio, que é alaranjado. Este, em meio ácido, reage com álcool e produz o íon Cr(III), que é verde. Confira a reação: Cr2O7-2 + 8H+ + CH3CH2OH --> Cr+3 + 3 CH3CHO + 7H2O

Este ano, a Academia Sueca Real de Ciências outorgou o Prêmio Nobel de Química ao Professor Ahmed H. Zewail (Arthur Amos Noyes Laboratory of Chemical Physiscs, Caltech, USA), pelos seus estudos pioneiros sobre os estados de transição de reações químicas fundamentais utilizando espectroscopia com resolução temporal de femtossegundos. Quanto dura um femtossegundo (fs) ? Dura 10^-15 segundos ! Esta pequena fração de tempo está para um segundo com este está para 32.000.000 de anos !! As técnicas empregadas pelo Professor Zewail utilizam aquilo que poderia ser descrito como a "câmera fotográfica" mais rápida existente. Através do uso de flashes de laser ultra-curtos, na escala de tempo em que as reações ocorrem de fato, é possível acompanhar átomos e moléculas em slow-motion durante uma reação, observando o que realmente acontece quando as ligações químicas quebram e novas são formadas. No final da década de 70, a Química Seletiva Induzida por Lasers era um dos tópicos mais relevantes da Química. Os lasers aperfeiçoados nesta época permitiam excitar uma dada ligação química com energia precisa e em tempos ultracurtos, o que poderia favorecer a quebra seletiva dessa ligação. No entanto, isto não acontecia por causa da presença de rápidos mecanismos de redistribuição intramolecular de energia vibracional. Inspirado nas seqüências de pulsos múltiplos coerentes em fase, usados na área de ressonância magnética nuclear, Zewail decidiu explorar a coerência induzida por lasers em moléculas, através dos análogos ópticos da ressonância nuclear magnética.

O trabalho realizado nesta área foi o responsável pela sua promoção a professor associado no Caltech. Em 1982, Charles V. Shank, então pesquisador dos Laboratórios Bell, produziu os primeiros pulsos de laser com duração de dezenas de femtosegundos (um femtosegundo corresponde a milionésimo de um bilionésimo de segundo). Em 1987, Mark Rosker, recém doutor orientado pelo Prof. C. L. Tang, da Universidade de Cornell (EUA), veio trabalhar como pós-doc no grupo de Zewail, trazendo uma grande experiência em construção de sistemas eficientes de geração pulsos de laser com largura temporal na região de femtossegundos. Nessa mesma época, o estudante de doutorado Marcus Dantus iniciava o projeto de montagem de um laboratório para realizar experimentos nessa escala temporal. Com um generoso apoio financeiro de 1,5 milhões de dólares da Força Aérea Americana foi possível transformar, em 3 meses, um laboratório de Cristalografia montado por Linus Pauling, localizado no segundo sub-solo do edifício Noyes do Caltech, no laboratório devotado a estudos sobre espectroscopia molecular com lasers mais requintado do mundo. Assim, em 1987, teve início a Femtoquímica: o estudo de reações químicas e de seus estados de transição na escala de tempo de femtossegundos. Este nome surgiu durante um brinde de champagne entre os professores Ahmed Zewail e Richard Bernstein, da Universidade da Califórnia/Los Angeles. O primeiro estudo realizado sobre Femtoquímica foi a fotodissociação de ICN, sendo observada a quebra da ligação química I-C no estado de transição da reação, a qual se completa totalmente em 200 femtosegundos!

Estes resultados apareceram como uma comunicação rápida no Journal of Chemical Physics: M. Dantus, M. J.Rosker e A. H. Zewail, 89, 2395 (1987). Desde então as técnicas espectroscópicas neste regime temporal tem sido aplicadas a diversas moléculas em vários tipos de reações em fases distintas e, ainda, a processos biológicos (veja, por exemplo: A.H. Zewail, Femtochemistry: Ultrafast Dynamics of the Chemical Bond, Vols. I e II, World Scientific, Singapura (1994). Linus Pauling, no próprio Caltech, empregando difração de raios X introduziu a escala de distância nos estudos sobre estrutura molecular. Por sua vez, Ahmed Zewail, usando pulsos ultracurtos de luz, introduziu a escala de tempo na investigação sobre a dinâmica de um único ato químico: a ruptura de uma dada ligação e os estados de transição entre reagentes e produtos. É uma coincidência notável que isso tenha ocorrido no mesmo laboratório, da mesma Instituição. A área da Físico-Química que investiga fenômenos ultra-rápidos tem sido chamada de "Femtoquímica". As contribuições do Professor Zewail e seu grupo neste campo iniciaram uma revolução na Química e ciências afins, uma vez que este tipo de investigação permite a compreensão e previsão de importantes reações químicas.

As reações químicas podem, como sabemos, ter as mais diversas velocidades. Compare um pedaço de lata enferrujando com uma banana de dinamite explodindo !! O fato comum à maior parte das reações é o aumento de sua velocidade com o aumento da temperatura, isto é, quando o movimento molecular torna-se mais rápido e mais violento.
Por esta razão, os pesquisadores acreditaram por muito tempo que se uma molécula vai participar de uma reação, ela precisa primeiro ser "ativada", isto é, alçada por sobre uma barreira. Quando duas moléculas colidem, normalmente nada acontece, elas simplesmente se afastam. Mas, quando a temperatura é alta o bastante, a colisão é tão violenta que elas reagem entre si e novas espécies podem ser formadas. Uma vez que se fornece um salto de temperatura suficientemente alto a uma molécula, ela reage rapidamente, com o quê ligações químicas são quebradas e novas são formadas. Isto também se aplica a reações que parecem ser lentas (lembre da lata enferrujando). A diferença é que o salto de temperatura ocorre mais raramente numa reação lenta do que em uma rápida.

A barreira será determinada pelas forças que mantém os átomos unidos dentro da molécula (as ligações químicas). Até recentemente, pouco se sabia sobre o caminho da molécula sobre a barreira e o que a molécula se assemelhava quando ela está exatamente no topo da barreira, isto é , o estado de transição.

Svante Arrhenius (Prêmio Nobel de Química em 1903), inspirado por van't Hoff (o primeiro Nobel de Química, em 1901), apresentou uma fórmula simples para relacionar a velocidade de uma reação química com a temperatura. Mas esta se referia a uma "coleção" grande de moléculas (sistema macroscópico) e tempos relativamente longos. Foi só na década de 30 que H.Eyring e M.Polanyi formularam uma teoria baseada em reações de moléculas individuais em sistemas microscópicos. A hipótese básica era a de que o estado de transição é cruzado muito rapidamente, na escala de tempo das vibrações moleculares. A possibilidade de se realizar experimentos numa escala de tempo tão curta era algo inimaginável.

Mas foi exatamente isso que o Professor Zewail resolveu empreender. No fim dos anos 80, ele efetuou uma série de experimentos que levaram ao nascimento da área de pesquisa chamada "Femtoquímica". Isto envolve o uso de uma "câmera fotográfica" de altíssima velocidade para "fotografar" as moléculas no curso real das reações químicas e tentar obter informações delas exatamente no estado de transição. Esta "câmera" está baseada em lasers de alta tecnologia, os quais emitem flashes de luz que duram algumas dezenas de femtossegundos. O tempo que leva para os átomos em uma molécula efetuarem um ciclo de vibração é da ordem de 10 a 100 fs. Pode-se comparar o fato de que as reações químicas ocorrem na mesma escala de tempo das vibrações moleculares com dois trapezistas de circo "reagindo" entre si na mesma escala em que os trapézios vão e voltam.
O que os químicos viram na medida em que a resolução temporal foi melhorando? O primeiro êxito foi a descoberta de substâncias formadas ao longo da rota entre a substância original e a final, os chamados intermediários. Estes eram moléculas ou fragmentos relativamente estáveis. Cada melhoria no grau de resolução temporal levava a novas espécies de uma cadeia reacional, na forma de intermediários de vida extraordinariamente curta, os quais eram encaixados no quebra-cabeças do mecanismo da reação investigada.
A contribuição pela qual o Professor Zewail recebeu o Prêmio Nobel significa que nós alcançamos o fim deste caminho: nenhuma reação química ocorre mais rápido. Com a espectroscopia de femtossegundo nós podemos, pela primeira vez, observar em "câmera lenta" o que acontece quando a barreira de uma reação é cruzada e portanto também entender a base mecanística das idéias de Arrhenius e van't Hoff, pelas quais foram agraciados com o Prêmio Nobel.

- A Femtoquímica na prática

Na espectroscopia de femtossegundo, as substâncias originais são misturadas como feixes moleculares em uma câmara de vácuo. Então, um laser ultra-rápido injeta dois pulsos: primeiro, um poderoso pulso de bombeio que atinge a molécula e a excita para um estado de energia maior, para depois um segundo pulso mais fraco, chamado pulso de prova (cujo comprimento de onda é escolhido) detectar a molécula original ou sua forma alterada. O pulso de bombeio sinaliza o início da reação enquanto o pulso de prova verifica o que está acontecendo. Variando-se o (diminuto !!) intervalo de tempo entre estes dois pulsos, é possível observar quão rapidamente a molécula original se transforma. As novas geometrias/configurações/conformações que a molécula assume quando é excitada - por vezes passando por um ou dois estados de transição - possuem espectros que podem servir como "impressões digitais". O intervalo de tempo entre os pulsos pode ser simplesmente variado fazendo-se o pulso de prova percorrer um caminho maior através de espelhos. Não muito maior: a luz percorre 0.03 mm (30 micra) em 100 fs !! Para melhor compreender o que está ocorrendo, estas "impressões digitais" em função do tempo transcorrido são então comparadas com simulações baseadas em cálculos mecânico-quânticos ab-initio (Prêmio Nobel de Química em 1998) dos espectros e energias das moléculas em seus vários estados excitados.

Outro experimento importante envolveu o estudo da dissociação do iodeto de sódio: NaI ® Na + I. O pulso de bombeio excita o par iônico Na+I- (o qual possui uma distância internuclear de equilíbrio de 2.8 Å) para uma forma ativada [NaI]* na qual a ligação se torna covalente. Entretanto, suas propriedades mudam quando esta molécula vibra; quando os núcleos estão afastados de 10-15 Å, a estrutura eletrônica é iônica, enquanto que a curta distância torna-se covalente. Em um dado ponto do ciclo de vibração (distância ~ 6.9 Å), há uma grande probabilidade de a molécula decair para o seu estado fundamental ou dissociar-se em átomos de sódio e iodo.

Contribuiu: Prof.Dr. Norberto S. Gonçalves - Depto de Química - UFSC

fonte:
>artigo dos Profs.Drs. Francisco B.T. Pessine, Depto. de Físico-Química, Instituto de Química, UNICAMP e Isaac M. Xavier Jr., Depto. de Estatística, UFPE, Boletim Eletrônico da SBQ, número121, 24/10/1999.
> http://www.nobel.se/announcement.99/chemistry99.html.